浅析金属材料拉伸试验影响因素及控制策略

张庆廷

【摘 要】室温拉伸试验是评价金属材料力学性能的一种最为广泛的试验方法，文章结合标准对拉伸试验的要求，重点从试样、试验仪器设备、试验速率、试验温度四个方面分析了金属材料拉伸试验的影响因素，综述了最新研究进展，并提出了减少这些影响因素的控制策略，以提高拉伸试验数据的准确性。

【关键词】拉伸试验 影响因素 控制策略

现代工业生产中，各种原材料、精密器件、零配件乃至各类机械产品、车辆、建筑等的力学性能都需要经过试验才能进行确定。常规力学性能试验包括拉伸、弯曲、冲击、硬度、剪切、压缩及工艺性能试验（扩口、扭转、压扁）等，其中拉伸试验应用最为广泛，是金属材料研制、生产、采购及验收、产品质量控制、设备安全评估的最主要的检验项目之一。拉伸试验过程中的各项强度和塑性指标是反映材料力学性能的重要参数，在有些场合下还可以直接用拉伸试验的结果作为判据[1]。

1 影响因素分析

金属材料拉伸性能取决于材料的化学成分，组织结构等固有属性，但同一种材料经过不同的拉伸试验，所得的试验结果却不尽相同，这往往与试样、试验速度、试验机、夹具、环境温度及人员操作等多方面因素有关[2]。

1.1 试样的影响

试样是金属材料力学性能测试的载体，正确的制备试样是获得准确数据的基础。由于金属材料在冷热加工的过程中，成分结构会发生各种变化，从而产生各处不均的形变，导致在试样制备时，取样的部位、方向、形状等都会对结果产生影响。

一般而言，在轧制方向上取样力学性能较好，垂直于轧制方向则较差。同时，为了降低加工硬化带来的影响，通常采用铣削、磨削、线切割等加工手段进行试样制备。吕晓刚[3]通过对端环断后伸长率不合格的影响因素的分析，得出了试样形状公差会造成断后伸长率降低的结论。李凯等[4]通过对比多组试样的拉伸试验数据，研究了试样机加工对拉伸试验结果的影响，结果表面，试样形状公差越大，抗拉强度和断后伸长率越小；尺寸正公差越大，断后伸长率越大，尺寸负公差越大，断后伸长率越小；表面粗糙度越大，抗拉强度和端面收缩率下降趋势越明显；过渡圆弧越大，上屈服强度越大。

1.2 仪器设备的影响

拉伸试验中使用的主要设备为拉伸试验机，其它辅助测试仪器包括引伸计、夹具、尺寸测量工具及标距仪等。它们本身的准确度及试验员能否正确使用会直接影响到试验结果。

贾少伟[5]采用相同精度的不同测量工具进行拉伸试验，通过实验室比对，发现测量工具对材料屈服强度结果影响较大。崔德奎等[6]采用V形夹具及半圆形夹具分别对预应力钢绞线进行拉伸试验，通过理论分析及试验结果比对，使用半圓形夹具测得钢绞线最大力数值较大。包凯迪等[7]通过试验，发现拉伸试验机液压夹具夹持力（油箱油压）对拉伸试验曲线影响较大，夹持力偏小，曲线弹性阶段中部出现抖动，接近屈服点的位置出现双拐点，随着拉力不断增大，夹持力不足和设备间隙会影响试验机的响应速率和实时性，在曲线上表现为屈服阶段向塑性阶段的过渡阶段缺失。此外，对于尺寸较小或材质偏软的试样，较大的夹持力会使试样在夹持端产生塑性变形，影响试验曲线在弹性阶段的线性。余立等[8]在两种不同柔度的试验机上对多组性能相对稳定的汽车用钢板进行拉伸试验，结果表明，较大柔度的试验机测得的材料Rp0.2及ReH值较小，而ReL、Rm及A的测量结果影响不明显。

1.3 试验速率的影响

拉伸试验速率控制方法和速率大小是影响试验结果的重要因素，不同的试验速率控制方法在试验不同阶段对各试验数据产生的影响也不同，这与材料对试验速率改变的敏感程度有关。因此，需要进行大量的试验，对比试验数据，才能研究试验速率对拉伸试验结果的影响。

金志勇[9]采用不同拉伸速率对无缝钢管进行拉伸试验，通过数据比对，发现拉伸速率对试样屈服强度、抗拉强度影响不大，对伸长率有一定影响，速率越大，材料伸长率越低。梁明华[10]等采用GB/T228.1-2010标准推荐的三种试验速率对X80管线钢进行拉伸试验，研究表面，横梁位移速率保持恒定，试样应变速率并不保持恒定，材料屈服强度及抗拉强度随着试验速率的提高而提高。高倩倩[11]等研究了应变速率对2024铝合金拉伸性能的影响，并采用扫描电镜及金相显微镜对试样端面进行分析，结果表面：在低应变速率下，合金中位错密度大，分布相对均匀，材料以韧性断裂为主，反之为脆性断裂；随着应变速率的增大，材料屈服强度增加，抗拉强度略有下降，断后伸长率及端面收缩率下降，弹性模量增加。

一般而言，在保证温度、试样等条件相同的情况下，试验速率对强度低而塑性好的材料影响较大，对于屈服强度的影响比抗拉强度要大。此外，随着拉伸速率的增加，材料的断后伸长率也可能会降低。

1.4 试验温度的影响

根据GB/T228.1-2010的规定，室温拉伸试验应控制在10-35℃的条件下进行，在这个范围内，对于多数金属材料，环境温度的变化对于试验数据的影响可以忽略不计。部分对温度变化较为敏感的材料，随着温度升高，材料的塑性指标上升而强度指标下降，此时，需要用到温度参数对试验结果进行修正。此外，对于金属材料的高/低温拉伸试验，试验温度通常与试验速率共同作用，对试验结果产生较大影响。

彭剑等[12]通过分析拉伸试验数据及端口形貌发现，中低温下工业纯钛的拉伸应力-应变曲线随着温度的升高和应变速率的降低不断降低，拉伸行为存在温度软化与应变速率强化现象，并且拉伸行为的温度敏感性强于应变速率敏感性。张俊平等[13]通过试验发现，随着温度升高，孪生诱发塑性（TWIP）钢的强度逐渐下降，伸长率逐渐增加，应变硬化指数随应变增加达到并维持在较高水平。刘运腾等[14]通过高温拉伸试验发现，不同温度条件下，AZ80镁合金的应力-应变曲线均出现峰值，峰值应力随变形温度的升高而减小，塑性变形能力随变形温度的升高，先升高后降低。

2 控制策略研究

除了上述几个方面的因素，金属材料拉伸试验还受到试验人员、试样夹持、引伸计装夹等诸多因素的影响。在实际检测过程中，应当正确认识这些因素对拉伸试验的影响，制定相应的检验操作规程，确保检测工作符合标准和规程的要求，以控制实验结果的准备性，具体如下：

（1）试样的制备应具有代表性，不能影响其力学性能。GB/T2975-1998规定了取样的位置及制样要求，GB/T228.1-2010规定了板材、棒材、管材等试样类型的形状、尺寸及制备要求，此外，对于具体产品的力学性能检验，其相关的产品标准中对取样部位、取样数量、性能要求都作了规定。在试验中，应严格控制取样、制样、验收、流转等每个环节，提高试样的加工技术，减小各个试样的差异，减小应力集中，从而减少误差，提高准确性。

（2）仪器设备的量程及精度应符合试验要求。拉伸试验机、引伸计及尺寸测量工具均需经过有资质的计量部门定期检定，检定合格并在有效期内才能使用。此外，应根据设备的使用频率，定期进行设备维护保养，定期进行期间核查，参加实验室间比对、能力验证等，以确保设备的准确性与稳定性。

（3）试验速率控制方法及速率大小必须符合相应标准的规定，应根据材料的不同特性进行选择，并予以记录。在进行金属材料拉伸试验时，应尽量采用应变速率的控制模式，以便于对比试验结果。

（4）试验人员应避免在试验夹持、引伸计装卸、尺寸测量、数据处理等环节带来的人为因素的误差，以得到正确的试验结果。

3 结语

本文着重分析探讨了试样、试验仪器设备、试验速率、试验温度对拉伸试验结果的影响并提出了相应的控制策略。金属材料拉伸试验结果的影响因素有很多，有些因素可以通过严格执行试验标准及操作规程来减小或者消除，只有在相同的试验条件下，试验结果的比较才有意义，只有认真分析研究试验结果的影响因素，才能获得准确的试验数据。

参考文献：

[1]孙慧.材料试验中试樣夹持技术方法的研究[D].吉林：吉林大学，2014.

[2]杨学桐，陶美娟，王滨.金属材料力学性能试验[M].北京：科学普及出版社，2014：30.

[3]吕晓刚.试样尺寸对拉伸试验结果的影响[J].金属热处理，2015，32：451-454.

[4]李凯，岑风.机加工对圆棒金属拉伸试样试验结果的影响[J].物理测试，2014，32（4）：9-14.

[5]贾少伟.测量工具对拉伸屈服强度结果的影响[J].全面腐蚀控制，2014，28（2）：48-49.

[6]崔德奎，孟扬，金庆波，等.夹具对预应力钢绞线拉伸试验的影响及改进措施[J].工程质量， 2016，34（2）：35-37.

[7]包凯迪，王呈利，张庆欣，等.液压夹具夹持力对金属材料室温拉伸曲线的影响及处理[J].沈阳理工大学学报，2015，34（2）：52-55.

[8]余立，李荣锋，凃应宏.试验机柔度对拉伸试验结果的影响[J]. 理化检验（物理分册）， 2013，49（8）：501-504.

[9]金志勇.浅析拉伸速率对无缝钢管力学性能的影响[J].科技创新与应用，2014，12：20.

[10]梁明华，魏娜，李亮，等.拉伸速率对X80 M管线钢拉伸性能的影响[J].石油管材与仪器，2015，6：40-43.

[11]高倩倩，胡本润，杨伟.应变速率对2024铝合金拉伸性能的影响研究[J].热加工工艺，2014，43（12）：113-116.

[12]彭剑，周昌玉，代巧等.工业纯钛中低温拉伸行为的温度与应变速率敏感性[J].南京工业大学学报（自然科学版），2015，37（4）：50-56.

[13]张俊平，段先锋，史子木，等.温度及应变速率对TWIP钢拉伸性能的影响[J].机械工程材料，2015，39（5）：4-8.

[14]刘运腾，詹成伟，周吉学，等.温度对AZ80镁合金高温拉伸变形行为的影响[J].金属热处理，2014，39（3）：57-59.